SIEMENS

36 Wochen im Weltall und eine 567 Millionen Kilometer lange Reise waren nur der Anfang. Als das Mars Science Laboratory (MSL) Anfang August 2012 in die Marsatmosphäre eintrat, war der 2,5 Milliarden Dollar teure und 900 Kilogramm schwere Rover von der Größe eines Kleinwagens immer noch mit einer Geschwindigkeit von 21.000 km/h unterwegs. Und es blieben ihm nur sieben Minuten, um diesen rasanten Flug auf weniger als 2 km/h abzubremsen – oder auf der Marsoberfläche zu zerschellen.

Die Landung musste möglichst sanft erfolgen, um die vielen Instrumente nicht zu beschädigen. Dafür mussten Hunderte komplexer Schritte fehlerfrei und ohne menschlichen Eingriff ausgeführt werden, denn ein Funksignal von der Erde wäre 14 Minuten unterwegs, bevor es den Mars erreicht. Wie konnten sich die Ingenieure auf eine solche Herausforderung vorbereiten, zumal diese auf der Erde mit ihrer 100-mal dichteren Atmosphäre nicht getestet werden konnte? „Das NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) hat das gesamte System mit Hilfe unserer Software entwickelt“, erklärt Chuck Grindstaff, Leiter von Siemens PLM Software (Product Lifecycle Management), einer Geschäftseinheit der Siemens-Division Industry Automation. „Das JPL hat damit alle Abläufe getestet – von der thermischen Analyse bis zu den vielfachen physikalischen Wechselwirkungen, denen das Fahrzeug beim Eintritt in die Marsatmosphäre ausgesetzt sein würde. Unsere Simulations-Software war dabei der Dreh- und Angelpunkt.“

Daren Rhoades vom Entwicklungszentrum von PLM Software in Cypress, Kalifornien, und bis vor kurzem Mitglied des NASA-Teams, das die MSL-Mission entwickelte, ergänzt: „Ich habe an Subsystemen gearbeitet, die wir von den ersten Konzepten bis zum Zusammenbau und den Tests vollständig innerhalb der virtuellen Welt entwickelten.“ Die entscheidende Phase des MSL – oder wie sie die NASA nannte, die „sieben Minuten des Terrors“ – wurde im Lauf von etwa 8.000 simulierten Landungen optimiert. Für alle Experimente, die das MSL in den nächsten zwei Jahren auf dem Mars durchführen wird, fanden ähnlich umfassende Simulationen statt. „Es ist von existenzieller Bedeutung, hier den direkten Weg von den Simulationen zur realen Umsetzung gehen zu können“, meint Rhoades.

Ein Beispiel: der Sky Crane, ein zuvor noch nie verwendetes Raketen-System, das den Rover abbremsen und sanft aufsetzen sollte. Hier simulierte die Software die Ausbreitung der heißen Abgasstrahlen aus den Triebwerken des Sky Crane – um sicherzustellen, dass der Rover und seine Befestigungsseile nicht beschädigt würden. „Die Seile mussten den Rover herablassen, ohne dass er mit den Flammen in Berührung kam“, erklärt Joel Rooks, PLM Account Executive für die NASA. „Zudem war er mit dem Sky Crane über eine Art Nabelschnur verbunden“. Kleine Messer mussten dann alle Verbindungen gleichzeitig kappten, sagt Rooks: „Diese ganzen Abläufe wurden mit unserer Software simuliert.“

Die Komplexität war enorm. Die ganze Einheit bestand aus rund 90.000 maßgeschneiderten Teilen, die nur um 100 Mikrometer – etwa die Dicke eines menschlichen Haars – von den Vorgaben abweichen durften. Zudem mussten sie besonders dicht gepackt werden, aber zugleich ausreichend Spielraum bieten: etwa für die heftigen Erschütterungen beim Start und Wiedereintritt in die Atmosphäre sowie für das Ausdehnen und Zusammenziehen verschiedener Materialien bei Temperaturschwankungen von fast 1.650 Grad Celsius. „Um solch dicht gepackte Einheiten zu konstruieren, bedarf es völlig neuer Verfahren“, sagt der Leiter des Mars-Programms der NASA, Doug McCuistion. „Dabei hat uns eine ganze Reihe von Siemens-Systemen geholfen.“

Kinematische Simulation. Die Teile des Systems durften sich auch nicht berühren, um Beschädigungen zu vermeiden. „Das konnten wir aufgrund der unterschiedlichen Werkstoffe nur mit einem sogenannten Finite-Elemente-Modell gewährleisten“, sagt Kent Rash von PLM Solutions. „Damit werden komplexe Oberflächen in kleine Elemente unterteilt, die dann berechnet und in Beziehung zueinander gesetzt werden können.“ Hier kommt mit „NX“ eines der wichtigsten Software-Werkzeuge von PLM ins Spiel. NX erzeugt nicht nur sogenannte CAD-Modelle (Computer-Aided Design). Die Software nutzt zudem CAE-Prozesse (Computer-Aided Engineering) – das sind Verfahren, die ein Produktdesign mit allen wichtigen physikalischen Daten versehen, etwa bis zu welchem Grad ein Bauteil Hitze und Belastungen sicher widerstehen kann. Daraus entsteht ein Modell, das auch Antworten auf technische Fragen gibt – beispielsweise, wie stark ein Bauteil beim Abheben vibriert. Und da viele Maschinenteile so konstruiert werden, dass sie sich miteinander bewegen und interagieren, kann NX so genannte „kinematische Simulationen“ und Analysen leisten. Damit können Ingenieure auch sehr große Baueinheiten testen und deren Verhalten untersuchen. „Dazu gehört etwa die Landung auf einem Felsen und die dabei auftretenden Belastungen“, meint Rhoades.

NX ist zudem auch ein „CAM-Tool“ (Computer-Aided Manufacturing). „NX-Programme erzeugten den Code zur Steuerung der Maschine, an denen die Bauteile für die MSL-Mission gefertigt wurden“, erklärt Rhoades. „Man fängt also mit dem ursprünglichen NX-CAD-Modell eines Bauteils in der virtuellen Welt an, definiert die Fertigungsgeräte, mit denen es produziert werden soll und lässt dann eine Maschine mit der NX-CAM-Software laufen – auf Grundlage des Modells, das auch für die Finite-Elemente-Analyse verwendet wurde.“ Dieses Verfahren bietet viele Vorteile – der Bedeutendste bei einer milliardenschweren Raumfahrtmission ist die Genauigkeit.

Komplexe Projekte erfordern aber nicht nur eine gute Simulations-Software, sondern auch Systeme, mit denen große Teams von Ingenieuren und externen Dienstleistern gemeinsam am Projekt arbeiten können. Das funktioniert mit der Teamcenter-Software von PLM. „Teamcenter ist das Rückgrat des Entwicklungsprozesses“, sagt PLM-Leiter Grindstaff. „Es bietet den Experten Anwendungen für das Anforderungs- und Projektmanagement ebenso wie für die Einhaltung von gesetzlichen Vorschriften und für die Verwaltung von Konstruktionsdaten.“ Wie NX wird Teamcenter nicht nur für alle Flugmissionen des NASA JPL verwendet, sondern auch von SpaceX, dessen Raumschiff „Dragon“ im Mai 2012 als erster privater Raumgleiter an die Internationale Raumstation andockte.

Warum entscheiden sich Organisationen wie die NASA und SpaceX für Teamcenter? „Das ist leicht zu beantworten“, sagt Rhoades. „In einem Raumfahrzeug gibt es keine unwichtigen Bauteile. Die Software verringert nicht nur das Risiko menschlicher Fehler, indem sie sicherstellt, dass jeder berechtigte Teilnehmer nur die aktuellste Version der Projektdaten einsehen kann.“ Mit dem System lasse sich auch jedes Teil bis zu seiner ursprünglichen Konstruktion, Analyse und den Fertigungsdaten zurückverfolgen. Wenn eine Konstruktion zur Fertigung freigegeben ist, wird dies in Teamcenter dokumentiert. In der Summe, so Rhoades, seien damit enorme Einsparungen möglich.

Halbierte Fehlerquote. Daher haben nicht nur Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie die damit verbundenen Wettbewerbsvorteile erkannt. „Wir haben 70.000 Kunden“, sagt Grindstaff. Der Gesamtmarkt, den Siemens PLM Software adressieren könne, belaufe sich auf rund 20 Milliarden Dollar pro Jahr – mit Wachstumsraten von fünf bis sieben Prozent. „Wir sind in den Bereichen Kooperations- und Datenmanagement sowie digitale Fertigung führend und belegen eine starke zweite Position bei CAD/CAM im Maschinenbau“, erklärt er.

Darüber hinaus konnte Siemens einige spektakuläre PLM-Aufträge vermelden. So schloss das Unternehmen einen Zehnjahresvertrag mit Boeing zur Weiterentwicklung der PLM-Technologie – und mit Daimler wurde vereinbart, dass weltweit sämtliche Produkte und Fabriken in einer Teamcenter- und NX-Umgebung entwickelt werden. „Dank der Einführung paralleler Prozesse in den Bereichen Entwicklung, Konstruktion, Produktionsplanung und Fertigung kann Daimler seine gesamte Wertschöpfungskette optimieren“, meint Grindstaff. Zudem wurden Großaufträge mit Chrysler und Johnson Controls, einem der größten Direkt-zulieferer im Automobilbereich, geschlossen.

Diese Erfolge führt Grindstaff darauf zurück, dass PLM Software den Kunden hilft, Kosten zu senken und die Effizienz zu erhöhen. Beispiel Samsung Electronics: Mit Hilfe der PLM-Technologie habe das Unternehmen die Zahl physischer Prototypen um 30 Prozent reduzieren können. Die Fehlerquote bei den ersten Produktionsläufen hätte sich halbiert und die Entwicklungszeiten seien um 30 Prozent verkürzt worden.

Und wie stark konnte die NASA bei der Mars-Expedition ihre Effizienz erhöhen? Das lasse sich nicht berechnen, sagt Rhoades, da MSL einmalig ist: „Es ist nicht so, dass man hier mit einer zwei Tonnen schweren Version anfing, die dann am Ende nur noch eine wog.“ Klar ist allerdings, dass die MSL-Mission einen neuen Standard für eine Gesamtintegration gesetzt hat, die vom Konzept über die Produktion bis zu den Tests reicht. „In der Vergangenheit liefen Prozesse sequenziell ab“, sagt Prof. Siegfried Russwurm, der Leiter des Siemens-Sektors Industry. „Was der NASA mit dem Mars-Rover gelungen ist, war ein Paradigmenwechsel: ein integrierter Ansatz mit einem reibungslosen Übergang von der virtuellen Welt in die reale Produktion mit einem konsistenten Datenbestand für Hunderte oder sogar Tausende von Ingenieuren, die an einem einzigen Modell arbeiteten.“

Und Joel Rooks fügt hinzu: „Das war das technisch anspruchsvollste NASA-Projekt überhaupt. Wichtig ist, dass unsere Tools dabei halfen, alles zu simulieren und zu optimieren. Und der erfolgreiche Flug zum Mars bewies, dass es genauso funktionierte, wie wir es geplant hatten.“